Аманда Гефтер - На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё

Она снова рассмеялась, и мы продолжили наш путь к нашим рабочим столам. Я села за стол. Было приятно узнать, что со мной, оказывается, все было в полном порядке, но теперь меня стали немного беспокоить некоторые из моих предыдущих ответов.

На следующее утро я открыла большую стеклянную дверь и, направившись к стойке дежурного, сделала глубокий вдох. Я чувствовала себя во всеоружии.

Дежурный поднял голову и улыбнулся:

– С вами все в порядке?

Я открыла рот, чтобы повторить эту фразу в ответ на его вопрос, но просто не смогла этого сделать. Отвечать на вопрос таким же вопросом было слишком необычно для моего небольшого разговорного опыта. Вместо этого я, немного приподняв вверх подбородок, ответила:

– Да. А как дела?

Он улыбнулся, но по-прежнему во всем этом было что-то не то.

Между тем, мне пора было выбирать тему дипломной работы. Я знала, что для меня это хорошая возможность глубоко вникнуть в какой-нибудь конкретный вопрос. Это было как раз то, за чем я приехала в Лондон. Мне нужно было сделать выбор.

Отсеивая различные идеи, я все время возвращалась к теме стрелы времени. Мы много обсуждали загадку стрелы времени на занятиях по философии статистической механики. В теории Эйнштейна время и пространство присутствуют на равных условиях, сшитые вместе в одну большую модель блочной Вселенной. Почему же тогда мы можем двигаться назад в пространстве, но не можем во времени? Теория относительности не дает ответа на этот вопрос, и физика элементарных частиц также здесь беспомощна. Законы физики, которые описывают взаимодействие частиц, работают одинаково вперед и назад во времени. Если частицы не видят стрелу времени, почему мы должны ее видеть?

Необходимо иметь какую-то глобальную асимметрию, на которую можно было бы прикрепить стрелу времени. К счастью, такая имеется: энтропия никогда не уменьшается. Как энтропия, так и стрела времени существует только на макро-уровне в нашем мире, а не в микромире элементарных частиц. Часто говорят, что энтропия описывает меру беспорядка, но в принципе, как я узнала, это мера скрытой информации. Если вы хотите описать физическую систему, скажем газ в объеме, то у вас есть два варианта. Вы можете проследить постоянно изменяющееся положение и импульс каждой из отдельных молекул газа, или же вы можете просто взять средние значения. Среднюю скорость перемещения молекул газа называют его температурой, среднюю скорость изменения импульса – давлением. Температура и давление – эти два числа, как значок на посылке, указывающий на ее содержание, кодируют информацию о постоянно меняющемся микросостоянии системы.

Существует огромное число различных возможных микроскопических состояний, которые, усредняясь, дают одни и те же макроскопические величины. Чем больше количество микроскопических возможностей, тем труднее нам угадать, какая из них была реализована, а значит, менее точны наши знания о микросостоянии и выше энтропия системы. В этом месте в игру вступает беспорядок – существует гораздо больше микроскопических конфигураций, совместимых с «неупорядоченным» состоянием, чем с «упорядоченным». Бесчисленные конфигурации молекул H 2O соответствуют луже воды; гораздо меньшее их количество соответствуют сложно устроенным кристаллам льда. Лужа – это что-то более беспорядочное: мы имеем меньше информации о ее скрытом внутреннем устройстве, поэтому в ней больше энтропия. А энтропия подразумевает тепло.

На первый взгляд это кажется странным. Почему недостаток информации проявляет себя как нечто физическое, как тепло? «Может ли собственное невежество сжечь нас в буквальном смысле слова?» – записала я в своем блокноте. Такое вполне возможно – не будем забывать, о каких масштабах идет речь! Температура не относится к краеугольным характеристикам реальности – она возникает как коллективное свойство большого количества частиц на макроскопическом уровне. У отдельной молекулы нет температуры. Так что если вы выберете для исследования системы, состоящие из отдельных молекул, о температуре можно не думать. Усредните микроскопическую информацию, полученную в результате наблюдения за кишащим роем молекул, и вы получите тепло. Все дело в размерах – выберете побольше, и сможете выменивать информацию на температуру.

Когда я наливаю молоко в кофе, оно за короткий промежуток времени растворяется, придавая напитку однотонный оттенок мокко. Почему? Почему бы ему спонтанно не сложиться в слово «Hello»? Потому что в чашке кофе имеется около 10 24 молекул и число их конфигураций, соответствующих равномерному цвету мокко, значительно превышает количество конфигураций, соответствующих слову «Hello». Сказать «значительно» – это не сказать почти ничего. Я могла бы сидеть здесь и ждать миллиарды лет, и все равно это было бы недостаточно долго, чтобы мой кофе послал мне горячее приветствие. «Какова вероятность, что молекулы воздуха в моей квартире соберутся в конфигурацию убегающей крысы?» – задалась я вопросом. А как насчет просто хвоста?